Ils Seraient les Créateurs du Monde |
Au commencement étaient... les Trous noirs ! Eux qui dévorent tout, lumière comprise, ils auraient allumé les premières lueurs de l'Univers. Déduite d'une observation astronomique, cette redistribution des rôles à l'aube des temps permet d'expliquer l'origine des galaxies. Bienvenue dans la nouvelle génèse cosmique.
Au début, il n'y avait rien. Durant des centaines de milliers de siècles, l'aube du monde s'étirait dans un ciel uniformément noir, une obscurité sidérale d'une inimaginable profondeur, sans planète, étoile ou nébuleuse, ni le moindre témoin de ce néant. Pourtant, quelques millions d'années plus tard, l'Univers se retrouve peuplé de 100 mille milliards de milliards de mondes. Comment cette génèse cosmique s'est-elle déroulée ? Par quel miracle une galaxie comme notre Voie Lactée a-t-elle pu émerger de ce vide quasi absolu ?
Dans la grande histoire du cosmos, depuis le big bang jusqu'à aujourd'hui, cet épisode crucial de la formation des galaxies est baptisé par les astronomes "l'Âge des ténèbres". Une expression à prendre littéralement - sans étoiles, l'Univers était alors totalement obscur -, mais aussi métaphoriquement, les modèles imaginés ayant beaucoup de mal à simuler les événements de cette période, située dans la première centaine de millions d'années après la grande explosion primordiale (voir frise).
UNE VISION RÉVOLUTIONNAIRE
Or, voici qu'un nouveau scénario vient bouleverser la donne : à travers ce qu'il appelle "un nouveau paradigme", l'astrophysicien David Elbaz, du Commissariat à l'énergie atomique de Saclay, propose une genèse du monde radicalement différente de celle qui était, jusqu'ici, envisagée. Une genèse surprenante dont les acteurs principaux semblent y jouer à contre-emploi. Car selon le chercheur français, au commencement étaient... les trous noirs !
Les trous noirs ? Il s'agit de ces monstres cosmiques dont les astrophysiciens, à la fin du XXè siècle, ont dévoilé la présence, un peu partout dans l'Univers, certains ayant une masse de quelques soleils, tandis que d'autres, des milliards de fois plus lourds, trônent au centre de quasiment toutes les galaxies. Ces objets défient l'imagination : la Terre comprimée dans un dé à coudre deviendrait un trou noir dont le champ gravitationnel serait tellement intense qu'il absorberait tout ce qui passe à sa portée, y compris la lumière. Il ne faut donc pas s'étonner que, dans l'imaginaire collectif, ces abîmes sans fond où se perdent matière, énergie, espace et temps aient toujours été associés à la destruction, au chaos, au néant... Mais les rôles pourraient maintenant être redistribués. Car, d'après David Elbaz, les premières lueurs dont nous sommes aujourd'hui les infimes héritiers seraient venues de ces objets singuliers : durant l'Âge des ténèbres, ces Leviathan de l'espace auraient été les grands architectes du cosmos. Et sans ces démiurges invisibles, nous ne serions tout bonnement pas là pour en parler...
Pour se lancer ainsi dans l'écriture d'une nouvelle genèse, il faut, bien sûr, avoir quelques solides arguments à l'appui. David Elbaz et son équipe d'astronomes avaient en tout cas suffisamment de crédibilité pour que l'Observatoire européen austral mette à leur disposition son fleuron, le Very Large Telescope (VLT), et que leur soit même confié le télescope spatial Hubble. Les astronomes ont ainsi pu braquer les deux plus puissants télescopes du monde vers un étrange point lumineux, situé à plus de 3 milliards d'années-lumière de la Terre, découvert en 1983 et baptisé HE0450-2958 (->). Sous ce doux nom se cache un astre mesurant la taille du système solaire, mais mille milliards de fois plus brillant, soit beaucoup plus que la Voie lactée elle-même ! Un tel objet est appelé un quasar. Un nouveau venu dans le bestiaire cosmologique inventé dans les années 1960 pour résoudre cette énigme : aucune étoile supergéante, aucun amas d'étoiles ne pouvait rendre compte du volume minuscule de ces astres et de leur débit d'énergie faramineux. Comment expliquer un tel rayonnement ? Ce n'est qu'à partir des années 1990 que l'évidence est apparue. Car un seul processus connu permet d'expliquer une telle débauche d'énergie : sous leur enveloppe de lumière, les quasars doivent cacher de... gigantesques trous noirs, de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires !
Un trou noir, cet archétype de l'obscurité, qui émettrait de la lumière ? Le paradoxe n'est qu'apparent. En effet, lorsqu'il dévore la matière aux alentours, le trou noir devient l'astre le plus énergétique du cosmos ! Lui-même ne brille pas : il reste une sphère opaque, dont la taille dépend de sa masse, et dont le pouvoir d'attraction déforme tellement la trame de l'espace-temps qu'il en perd toute forme. Toutefois, lorsque de la matière passe à sa portée (gaz, planètes, étoiles), avant d'être engloutie, elle spirale autour de lui, de plus en plus vite, créant un disque de gaz de plus en plus chaud. Ce qui est devenu un plasma brûlant en rotation, soumis à des tensions capables de disloquer des étoiles entières, libère alors une énergie sans équivalent dans l'Univers - l'efficacité énergétique d'un trou noir est de dix à cent fois supérieure à celle d'une étoile ! Et le trou noir brille ainsi de mille feux. Mais HE0450-2958 n'est pas un quasar comme les autres : contrairement à la plupart de ses congénères, il est "nu", c'est-à-dire isolé dans l'espace, sans une myriade d'étoiles autour de lui. Une singularité qui a poussé l'équipe de David Elbaz à y regarder de plus près, pour réaliser qu'il est en fait relié à une galaxie, par un fin pinceau lumineux long de 22.000 années-lumière.
QUI DE L'OUF OU DE LA POULE ?
L'observation, là encore, peut sembler étrange : comment un quasar peut-il émettre un tel jet de lumière ? Au vrai, la réponse est connue depuis une trentaine d'années : le plasma brûlant en rotation créé un champ magnétique extraordinairement intense, aux deux pôles duquel s'échappe une partie de la matière, concentrée dans un fin pinceau lumineux, mais extraordinairement puissant... "Les jets émis par les trous noirs sont constitués de rayonnement et de gaz, éjectés à très haute vitesse, plusieurs milliers de km/s, explique Damien Le Borgne, astronome à l'Institut d'astrophysique de Paris, spécialiste de l'évolution des galaxies. Dans certains cas, la masse de gaz éjectée atteint même mille masses solaires par an !"
En pointant leurs lunettes au bout du jet émis par HE0450-2958, les astronomes ont observé que la galaxie associée est riche en très jeunes étoiles supergéantes. Ils ont même été étonnés par sa fécondité : chaque jour y naît une nouvelle étoile, alors qu'il s'en crée seulement quatre ou cinq par an dans une galaxie spirale comme la Voie lactée. Et les positions du jet et de ces nouvelles étoiles les ont conduits à formuler une première hypothèse : "C'est probablement le jet émis par le quasar qui est à l'origine de cette extraordinaire flambée d'étoiles dans la galaxie voisine", avance David Elbaz.
L'hypothèse est crédible : "Lorsque le jet rencontre des nuages de gaz, il provoque des chocs qui entrament une augmentation locale de la densité, jusqu'à précipiter la formation d'étoiles", décrit Damien Le Borgne. Mais David Elbaz va plus loin : "Nous pensons que nous assistons à la création de la galaxie par le quasar. Dans quelques millions d'années, le processus sera terminé, le quasar, aujourd'hui 'nu' sera 'habillé' par sa galaxie". Un phénomène qu'il propose aujourd'hui de généraliser au cosmos tout entier : "Les cosmologistes n'échappent pas à cette devinette célèbre : de l'ouf ou de la poule, qui vient en premier ? En clair, qu'est ce qui se forme d'abord : la galaxie ou le trou noir qui se trouve en son cour ? Eh bien, nous pensons que c'est la deuxième solution : notre étude suggère que les trous noirs supermassifs peuvent créer de grandes quantités d'étoiles, voire provoquer la naissance de galaxies entières..."
Ainsi se dessine une nouvelle histoire du monde. D'abord il y eut le big bang. Puis, durant l'Âge des ténèbres, comme le raconte le scénario standard, le gaz dense, brûlant et homogène laissé par l'explosion primordiale se serait lentement condensé en refroidissant, dessinant une sorte de vaste toile d'araignée tridimensionnelle dans l'espace qui, après quelques dizaines de millions d'années, se serait condensée en grumeaux de plus en plus massifs.
DES MODÈLES DÉPASSÉS
Mais, au lieu de former des étoiles comme les scénarios jusqu'ici envisagés tentaient de le conter, ces grumeaux seraient devenus de gigantesques trous noirs. Lesquels, dans un souffle créateur, auraient enfin enfanté les galaxies. Est-ce ainsi que les mondes naissent ? Est-ce ainsi que les cent milliards de galaxies connues dans l'Univers sont apparues ? En postulant que les premiers astres furent les trous noirs, et non les étoiles, cette théorie, publiée par la revue scientifique Astronomy Astrophysics en décembre 2009, tourneboule les schémas classiques. Jusqu'ici, il était en effet admis que les trous noirs au centre des galaxies s'étaient formés en dévorant les étoiles aux alentours, détruisant peu à peu le monde qui les a fait naître. Or, les astrophysiciens ont aujourd'hui du mal à rendre cette histoire cohérente. Il faut dire qu'avant les années 1990 et la mise en service de puissants télescopes, comme le VLT ou Hubble, la situation était plus simple : les astronomes ne disposaient d'aucune information sur l'évolution des galaxies au-delà de quelques milliards d'années-lumière, et leurs modèles théoriques, qui n'étaient contraints par aucune observation, semblaient pleinement satisfaisants. Depuis, tout s'est compliqué : les modèles, sommés de rendre compte des nouvelles observations, ont, les uns après les autres, dû être remisés au rayon des fausses bonnes idées.
C'est, tout d'abord, le timing des événements qu'il a fallu revoir. Avant, les théoriciens pensaient que les galaxies se formaient tranquillement, 1 à 2 milliards d'années après le big bang. Patatras ! En repoussant les limites observables de l'Univers à 6, puis 8, 10, 12 et enfin 13 milliards d'années-lumière, ils ont été surpris d'y découvrir à chaque fois des galaxies. Une première révolution...
Seconde surprise : les galaxies actuelles ne se sont pas formées lentement, à partir de petits amas d'étoiles s'agrégeant progressivement, comme des cristaux de glace qui se collent pour former des flocons.
UNE THÉORIE QUI FAIT DES VAGUES
Cette idée, dominante depuis trois décennies, a été battue en brèche dans les années 2000. "Nous avons découvert des galaxies géantes témoignant d'une longue évolution à des distances énonnes dans l'Univers, explique Damien Le Borgne. Cela prouve que les galaxies géantes, celles qui comptent jusqu'à mille milliards d'étoiles, existaient déjà un milliard d'années après le big bang !" Comment des structures aussi grandes se sont-elles formées si vite ? Aucun modèle actuel ne permet de répondre clairement.
Et il y eut une troisième surprise : l'étrange relation entre la masse des galaxies et celle des trous noirs massifs cachés en leur sein. En clair, plus on observe des galaxies lointaines, donc jeunes, plus leur trou noir central apparaît massif. Dans les galaxies situées entre 1 et 8 milliards d'années-lumière, les étoiles ont en effet une masse totale 700 fois supérieure à celle du trou noir, mais ce rapport tombe à 400 dans celles situées entre 8 et 11 milliards d'années-lumière, et semble même descendre sous les 150 pour les galaxies plus lointaines. Une relation difficilement compatible avec une histoire qui fait des étoiles les premiers objets de la création. Ce qui ramène à l'hypothèse d'Elbaz : "Tout se passe comme si les trous noirs se formaient avant les galaxies qui les entourent..." Qui plus est, ce nouveau scénario a l'avantage d'expliquer la vitesse à laquelle se sont formées les galaxies. Selon lui, "les jets des trous noirs supermassifs étaient capables d'expulser l'équivalent d'une galaxie entière en 10 millions d'années seulement !" Il suffit donc de supposer que se soient formés de gigantesques trous noirs, quelques dizaines de millions d'années après le big bang, pour que s'écrive une genèse plus cohérente que celle racontée jusqu'ici.
Dans le milieu astronomique, cette théorie, toute jeune, ne fait toutefois pas l'unanimité. Ainsi, pour Françoise Combes, astronome à l'Observatoire de Paris, spécialiste de la structure et de l'évolution des galaxies, "même si dans de rares cas, les jets des quasars peuvent en effet déclencher la formation d'étoiles, le nombre d'étoiles ainsi formées n'est qu'une infime partie de toutes les étoiles des galaxies. La plupart au temps, l'énergie fantastique déployée par le quasar autour du trou noir va chauffer le gaz environnant, ou le repousser loin dans l'espace, ce qui diminue ou même stoppe la formation d'étoiles".
Face à cet argument, la théorie d'Elbaz a reçu un soutien de poids : Joseph Silk, l'une des voix les plus respectées de la cosmologie contemporaine. "C'est une nouvelle approche d'une importance décisive", juge le professeur à la chaire d'astronomie de l'université d'Oxford. La puissance du jet, au lieu de forger des étoiles, disperse-t-elle le gaz ? "En fait, à mon avis, les trous noirs font les deux... D'abord, au début, comme le propose David Elbaz, leurs jets créent des étoiles, puis, lorsque celles-ci se sont formées et commencent à exploser en supernovae, le gaz qui reste est soufflé en dehors des galaxies, sous l'effet conjugué du souffle des supernovae et du jet du trou noir central."
LE RÔLE DES "ÉTOILES NOIRES"
Le débat ne fait que commencer et David Elbaz comprend parfaitement que sa théorie fasse des remous. En général, les astronomes préfèrent baser leurs travaux sur de très grands échantillons d'astres et se méfient des cas particuliers, a priori dénués de valeur statistique. "Si HE0450-2958 est un objet rare aujourd'hui, c'est que l'activité des quasars dans l'Univers actuel est très réduite. Mais il y avait mille fois plus de quasars voici 10 milliards d'années ! C'est donc dans le passé lointain que nous allons essayer de surprendre des trous noirs en train d'allumer des étoiles..."
Si les futures observations le confirment, ce ne sera pas pour autant la fin de l'écriture du grand livre de l'histoire de l'Univers. Il restera par exemple à comprendre comment, durant l'Age des ténèbres, ces trous noirs titanesques sont apparus : sont-ils nés de l'accrétion de gaz cosmique, ou à la suite de l'effondrement des gigantesques "étoiles noires" dont une physicienne américaine vient de théoriser l'existence ? Mais, avec cette nouvelle genèse, fascinante et inattendue, une des plus belles pages aura assurément été écrite. Au début, il n'y avait rien; puis apparurent les trous noirs ; et la lumière fut.
LA NOUVELLE GÉNÈSE DU MONDE EN 6 ÉTAPES
LA FIN DU CÔTÉ OBSCUR
Aujourd'hui, il est admis qu'un milliard de trous noirs tournent silencieusement dans la Voie Lactée et que près de 100 milliards de milliards d'autres naviguent, plus loin dans l'espace.
COMMENT LES TROUS NOIRS SE FORMENT-ILS ?
Certains sont des résidus d'étoiles, de 10 à 100 fois plus massive que le Soleil : à la fin de leur existence, privées de combustible nucléaire, ces étoiles s'effondrent sur elles-mêmes, formant un trou noir "stellaire" dans l'horizon mesure 3 à 30 km de diamètre. D'autres, beaucoup plus massifs, plusieurs millions à plusieurs milliards de fois plus lourds que le Soleil, trônent au centre de la plupart des galaxies, avec un diamètre compris entre 10 millions de kilomètres et plus de 10 milliards (soit la taille du système solaire) : s'ils se sont probablement formés très tôt dans l'histoire de l'Univers, leur origine est encore mal comprise. Un troisième type de trou noir, dit "primordiaux" a été imaginé, mais encore jamais observé : ces trous noirs, formés au moment du big-bang, aurait la taille d'une particule élémentaire !
COMMENT LES OBSERVE-T-ON ?
En étudiant leur influence sur leur environnement. Ainsi, la grande vitesse des étoiles au centre d'une galaxie peut indiquer la présence d'un trou noir supermassif...
Autre méthode : quand un trou noir englouti de la matière, celle-ci chauffe et émet avant de sombrer dans le néant une quantité énorme de rayonnement X et gamma, qu'il est possible de détecter.
LE TROU NOIR EST-IL NOIR ?
Oui et non. En principe, comme son nom l'indique il est totalement obscur, avec une surface d'un noir absolu, et une température très proche du zéro absolu.
Pourtant, Stephen Hawking a découvert en 1975 que le trou noir pouvait rayonner de l'énergie, sous forme de particules créées spontanément sur son horizon par des"fluctuations du vide quantique". Un phénomène infinitésimal, jamais observé, mais qui viole d'un point de vue théorique, l'absolue noirceur des trous noirs.
QUE SE PASSE-T-IL DANS UN TROU NOIR ?
Personne ne le sait. D'après les équations d'Einstein, à l'intérieur de l'horizon, l'espace-temps s'effondrerait perpétuellement jusqu'au point central, infiniment dense et infiniment petit : une impasse conceptuelle, qu'espèrent contourner les physiciens, grâce à de nouvelles théories, comme la gravité quantique ou la théorie des cordes.
LES TROUS NOIRS SONT-ILS ÉTERNELS ?
Peut-être pas. Si la théorie de Stephen Hawking est juste, alors les trous noirs s'évaporent lentement, en émettant de temps à autre une particule élémentaire. Un trou noir stellaire s'évaporait en 10 puissances 65 ans environ, un trou noir supermassif en 10 puissances 100 ans...
VIVONS-NOUS DANS UN TROU NOIR ?
Notre univers et le trou noir présentent de troublantes similitudes. Comme le trou noir, il possède une singularité, un point de densité infinie et de dimension nulle : le big-bang... De plus, comme le trou noir, l'Univers à un horizon, une surface sphérique impossible à traverser, où le temps semble suspendu : le diamètre de cet horizon cosmologique correspond tout simplement à la taille de l'Univers, dont la frontière reflète indéfiniment l'instant du big-bang. Cela a amené certains cosmologistes à faire c'est incroyable proposition : nous vivons peut-être dans un trou noir ! L'astrophysicien Jean-Pierre Luminet imagine même que nous vivons dans un univers gigogne, regroupant une infinité de trous noirs enfermés les uns dans les autres, ad infinitum...
S.B. - SCIENCE & VIE > Avril > 2010 |